Image de Jupiter prise par la sonde spatiale Juno de la NASA en février 2022. La tache sombre est l’ombre de la lune Ganymède. Les motifs colorés sont formés par des nuages à différentes altitudes et constitués principalement de glace d’ammoniac, d’hydrosulfure d’ammonium et d’eau. Crédit : NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS, Traitement d’images par Thomas Thomopoulos © CC BY
Pour la première fois, un outil conçu pour découvrir des planètes distantes de plusieurs années-lumière a été utilisé sur un objet du système solaire, dans le cadre d’une étude sur Jupiterles vents.
Nous nous trouvons à une époque où il est devenu presque banal de découvrir des planètes en orbite autour d’une autre étoile, avec plus de 5 000 déjà recensées. Les premiers mondes lointains à intégrer cette liste étaient principalement des planètes géantes, similaires mais aussi très différentes à bien des égards de Jupiter et Saturne.
Les astrophysiciens ont déjà commencé à obtenir des données sur l’atmosphère des exoplanètes, mais des questions fondamentales sur l’atmosphère de la plus grande planète du système solaire restent encore sans réponse. Pour comprendre ce qui se passe dans les nuages et les couches d’air de Jupiter, il est nécessaire de l’étudier dans le temps, par des observations continues. Aujourd’hui, pour la première fois, un instrument développé pour trouver et analyser des mondes à des années-lumière, les exoplanètes, a été pointé vers une cible du système solaire, à 43 minutes-lumière de la Terre : la planète Jupiter.
Console de contrôle du spectrographe ESPRESSO, lors de l’observation de Jupiter avec l’un des télescopes du VLT, à l’Observatoire de Paranal, au Chili. Crédit : Pedro Machado.
Utilisation du spectrographe ESPRESSO
Des chercheurs de l’Institut d’astrophysique et des sciences spatiales (IA), de la Faculté des sciences de l’Université de Lisbonne (Portugal) (Ciências ULisboa), ont utilisé le spectrographe ESPRESSO installé sur le télescope VLT de l’Observatoire européen austral (ESO) pour mesurer vitesses du vent sur Jupiter. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue scientifique Univers.
La méthode développée par l’équipe s’appelle vélocimétrie Doppler et est basée sur la réflexion de la lumière visible du Soleil par les nuages dans l’atmosphère de la planète cible. Cette lumière réfléchie est courbée en longueur d’onde proportionnellement à la vitesse à laquelle les nuages se déplacent par rapport au télescope sur Terre. Cela donne la vitesse instantanée du vent au point observé.
Chercheur Pedro Machado, de l’IA et Ciências ULisboa, à côté des quatre télescopes du VLT (ESO), à l’Observatoire de Paranal, Chili. Crédit : Pedro Machado
La méthode maintenant utilisée avec ESPRESSO a été développée par le groupe de recherche sur les systèmes planétaires de l’IA, avec d’autres spectrographes, pour étudier l’atmosphère de Vénus. Les chercheurs mesurent les vents de cette planète voisine et contribuent depuis plusieurs années à la modélisation de son atmosphère générale. Aujourd’hui, l’application exploratoire de cette méthode avec un instrument « haut de gamme » tel qu’ESPRESSO a abouti à un succès qui ouvre de nouveaux horizons à la connaissance de notre voisinage cosmique. Ces travaux affirment la faisabilité de surveiller systématiquement les atmosphères les plus lointaines des planètes gazeuses.
Méthodologie et observations
Pendant cinq heures, en juillet 2019, l’équipe a pointé le télescope VLT vers la zone équatoriale de Jupiter, où se trouvent les nuages légers à une altitude plus élevée, et vers les ceintures équatoriales nord et sud de cette planète, qui correspondent à l’air descendant et qui il forme des bandes de nuages sombres et plus chauds dans une couche plus profonde de l’atmosphère.
Image de Jupiter obtenue par la sonde Juno de la NASA en mai 2019, où des zones de tempêtes sont visibles dans l’hémisphère nord de la planète. Crédit : Image améliorée par Kevin M. Gill (CC-BY) basée sur des images fournies avec l’aimable autorisation de NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS.
« L’atmosphère de Jupiter, au niveau des nuages visibles depuis la Terre, contient de l’ammoniac, de l’hydrosulfure d’ammonium et de l’eau, qui forment des bandes rouges et blanches distinctes », explique Pedro Machado, de l’IA et Ciências ULisboa, « Les nuages supérieurs, situés dans la zone de pression de 0,6 à 0,9 bars, sont constitués de glace d’ammoniaque. Les nuages d’eau forment la couche la plus dense, la plus basse, et ont la plus forte influence sur la dynamique de l’atmosphère », ajoute le chercheur.
Défis et innovations en recherche
Avec ESPRESSO, l’équipe a pu mesurer des vents sur Jupiter de 60 à 428 km/h avec une incertitude inférieure à 36 km/h. Ces observations, appliquées avec un instrument à haute résolution à une planète gazeuse, ont leurs défis : « L’une des difficultés était centrée sur la « navigation » sur le disque de Jupiter, c’est-à-dire savoir exactement vers quel point du disque de la planète nous pointions, en raison à l’énorme résolution du télescope VLT », explique Pedro Machado.
« Dans la recherche elle-même, la difficulté était liée au fait que nous déterminions les vents avec un précision de quelques mètres par seconde alors que la rotation de Jupiter est de l’ordre d’une dizaine de kilomètres par seconde à l’équateur et, pour compliquer les choses, parce que c’est une planète gazeuse, et non un corps rigide, elle tourne à des vitesses différentes selon la latitude de le point que nous observons », ajoute le chercheur.
Salle de l’Observatoire de Paranal, au Chili, où sont reçues les images du VLT et les données du spectrographe ESPRESSO. L’observation inédite d’un objet du système solaire – Jupiter – avec ce spectrographe, conçu pour observer des planètes au moins cent mille fois plus éloignées, a suscité l’intérêt d’autres astrophysiciens et techniciens présents. Crédit : Ruben Gonçalves
Pour vérifier l’efficacité de la vélocimétrie Doppler des télescopes terrestres dans la mesure des vents sur Jupiter, l’équipe a également rassemblé des mesures obtenues dans le passé afin de comparer les résultats. La plupart des données existantes ont été collectées par des instruments spatiaux et ont utilisé une méthode différente, qui consiste à obtenir des valeurs moyennes de la vitesse du vent en suivant la configuration des nuages dans des images capturées à des moments proches.
La cohérence entre cet historique et les valeurs mesurées dans l’étude désormais publiée confirme la faisabilité de la mise en œuvre de la vélocimétrie Doppler dans un programme de surveillance des vents de Jupiter depuis la Terre.
La surveillance permettra à l’équipe de recherche de collecter des données sur l’évolution des vents au fil du temps et sera essentielle pour développer un modèle fiable de la circulation globale de l’atmosphère de Jupiter. Ce modèle informatique devrait reproduire les différences de vents selon la latitude, ainsi que les tempêtes de Jupiter, pour aider à comprendre les causes des phénomènes atmosphériques que nous observons sur cette planète. À l’inverse, le modèle aidera à préparer les futures observations avec des informations sur la pression et l’altitude des nuages dans la visée du télescope.
L’équipe a l’intention d’étendre les observations avec ESPRESSO à une plus grande couverture du disque de la planète Jupiter, ainsi que, dans le temps, de collecter des données sur le vent tout au long de la période de rotation de la planète, soit près de 10 heures. Restreindre les observations à certaines plages de longueurs d’onde permettra également de mesurer les vents à différentes altitudes, obtenant ainsi des informations sur le transport vertical des couches d’air.
Une fois la technique maîtrisée pour la plus grande planète du système solaire, l’équipe espère l’appliquer aux atmosphères d’autres planètes gazeuses, avec Saturne comme prochaine cible. Le succès de ces observations avec ESPRESSO s’avère important à l’heure où son successeur, ANDES, est en cours de conception pour le futur Extremely Large Telescope (ELT), également de ESO et actuellement en construction au Chili, mais aussi la future mission JUICE, du Agence spatiale européennedédié à Jupiter et qui fournira des données supplémentaires.
